Звездные потоки считались одним из самых перспективных мест для поиска косвенных признаков присутствия темной материи. Однако новое исследование астрономов Вашингтонского университета показывает: часть подозрительных следов может создавать сама галактика. Иными словами, Млечный Путь способен «прикидываться» и подбрасывать ученым ложные улики, которые выглядят как отпечатки темной материи. Почти детективное исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.
Звездный поток (stellar stream) — это длинная тонкая цепочка звезд, возникающая после того, как звездное скопление или карликовая галактика захватываются гравитацией более крупной галактики. После поглощения «малыша» Млечный Путь растягивает его население вдоль его прошлой орбиты, превращая бывшего спутника в своеобразную фантомную нить.
Проблема в том, что эти нити далеко не всегда выглядят идеально. В них встречаются разрывы, изгибы, уплотнения, ответвления и резкие «изломы». Раньше подобные особенности рассматривали как возможный результат воздействия небольших скоплений темной материи — субгало. Но исследователи решили сначала проверить более прозаичную версию: а что, если виновата сама галактика-захватчик?
15 тысяч потоков — и почти ни одного «идеального»
Для проверки гипотезы ученые создали четыре виртуальные галактики размером с Млечный Путь. В моделях не было субгало темной материи. Затем исследователи запустили вокруг этих галактик 15 тысяч звездных потоков и позволили виртуальной Вселенной развиваться естественным образом в течение пяти миллиардов лет.
Результат оказался красноречивым. Почти каждый поток в той или иной степени изменился. В некоторых появились изгибы и разрывы, другие обзавелись ответвлениями и уплотнениями, а отдельные структуры гравитационное поле галактики и вовсе разорвало в клочья.
Полностью «правильными» по форме после пяти миллиардов лет остались всего 70 потоков из 15 тысяч. Напомним, в моделях вообще никак не учитывалось присутствие темной материи — как будто ее нет совсем.
Причина оказалась в неоднородности самой галактики. В ее диске звезды распределены неравномерно: где-то плотность выше, где-то ниже. Поэтому поток, проходя через разные участки гравитационного поля, испытывает неодинаковое воздействие. В итоге его форма начинает меняться — причем это очень похоже на то, что астрономы могли бы ожидать от воздействия невидимых сгустков темной материи.
Особенно сильно достается потокам, расположенным ближе к галактическому центру: там они чаще проходят через плотные и неоднородные области.
Получается своеобразная космическая ловушка. Если не учитывать влияние самой галактики, обычные гравитационные возмущения можно принять за признаки чего-то гораздо более загадочного.
Исследователи теперь предлагают сначала построить максимально точную модель того, как Млечный Путь сам по себе деформирует звездные потоки, и лишь затем искать в оставшихся отклонениях возможные следы темной материи. Следующим этапом станут модели, в которых уже появятся субгало темной материи — тогда можно будет сравнить два типа возмущений.
Помочь с проверкой гипотезы должны и новые наблюдения. Телескоп обсерватории имени Веры Рубин, как ожидается, обнаружит значительно больше звездных потоков в Млечном Пути. Большая выборка позволит астрономам составить своеобразную классификацию их изгибов, разрывов и других особенностей и отделить обычную галактическую «грязь» от потенциальных отпечатков темной материи.
Таким образом, новое исследование не отменяет идею искать темную материю по звездным потокам. Оно делает задачу сложнее: прежде чем объявлять очередной изгиб или разрыв «следом невидимого вещества», астрономам придется убедиться, что его не оставила сама галактика.
Теперь, когда мы можем предсказать, что творит галактика-хозяйка сама по себе, мы можем начать выделять эффекты, за которые отвечает уже темная материя.
Тема звездных потоков для астрономов особенно интересна потому, что такие структуры действительно важны для оценки невидимой массы галактик. Например, Hi-Tech Mail рассказывал об обнаружении 87 звездных потоков, связанных с шаровыми скоплениями Млечного Пути: такие структуры рассматриваются как инструмент для изучения распределения темной материи и возможных маломассивных субгало.